Aspectul PCB și compatibilitatea electromagnetică pentru microcontrolerele din seria MB90. Tehnica de aranjare PCB

Definiții:

Compatibilitate electromagnetică (EMC): capacitatea, în timpul funcționării, de a nu aduce o contribuție excesivă la mediu prin radiații electromagnetice. Când această condiție este îndeplinită, toate componentele electronice funcționează împreună corect.

Interferență electromagnetică (EMI): Energie electromagnetică emisă de un dispozitiv care poate interfera cu performanța altui dispozitiv.

Imunitate electromagnetică, EMPU (imunitate electromagnetică, sau susceptibilitate, EMS): toleranta (rezistenta) la efectele energiei electromagnetice.

Proiectare pentru EMC: 4 reguli cheie

Problema regulilor: cu cât ai mai multe reguli, cu atât este mai greu să le urmezi pe toate. Prioritizarea implementării lor este diferită.

Să presupunem că, atunci când creați o placă de circuit imprimat multistrat, trebuie să direcționați un semnal de înaltă frecvență de la o componentă analogică la una digitală. Desigur, doriți să minimizați probabilitatea unei probleme de compatibilitate electromagnetică (EMC). După ce ați căutat pe internet, găsiți trei recomandări care par a fi relevante pentru situația dvs.:

1. Minimizați lungimile magistralei RF
2. Separați magistralele de alimentare și de masă între părțile analogice și digitale ale circuitului
3. Nu rupeți poligoane de pământ cu conductori de înaltă frecvență

Viziunea dumneavoastră asupra a trei posibile opțiuni de cablare este prezentată în Fig. 1.

În primul caz, traseele sunt dirijate direct între cele două componente, iar poligonul de teren rămâne solid. În al doilea caz, se formează un gol în poligon, iar pistele trec peste acest gol. În al treilea caz, traseele sunt așezate de-a lungul golului din poligon.

În fiecare dintre aceste trei cazuri, una dintre regulile de mai sus este încălcată. Sunt aceste cazuri alternative la fel de bune pentru că îndeplinesc două dintre cele trei reguli? Sunt toate rele pentru că fiecare încalcă cel puțin o regulă?

Acestea sunt întrebările cu care se confruntă designerii de PCB în fiecare zi. Alegerea corectă sau greșită a strategiei de rutare poate duce la rezultate în care placa fie îndeplinește toate cerințele EMC, fie are probleme cu susceptibilitatea la semnale externe. În acest caz, alegerea ar trebui să fie clară, dar vom reveni la asta mai târziu

Problemele sunt reduse după ce recomandările sunt prioritizate. Ghidurile de proiectare sunt utile doar dacă sunt bine înțelese și dacă fac parte dintr-o strategie completă. Odată ce designerii învață să prioritizeze liniile directoare și să înțeleagă cum ar trebui să fie utilizate acele ghiduri, ei pot proiecta cu pricepere PCB-uri bune.

Următoarele sunt patru reguli generale EMC bazate pe caracteristicile generale ale produselor electronice. În multe cazuri, designerii PCB încalcă în mod deliberat una dintre aceste reguli în încercarea de a le îndeplini pe altele mai importante.

Regula 1: Minimizați calea curentului semnalului

Această regulă simplă este prezentă în aproape fiecare listă de recomandări EMC, dar adesea este fie ignorată, fie minimizată în favoarea altor recomandări.

Adesea, proiectantul de PCB nici măcar nu se gândește la unde curg curenții semnalului și preferă să se gândească la semnale în termeni de tensiune, dar ar trebui să se gândească în termeni de curent.

Există două axiome pe care fiecare proiectant de PCB ar trebui să le cunoască:

- curenții de semnal revin întotdeauna la sursa lor, de ex. calea curentă este o buclă
- curenții de semnal folosesc întotdeauna calea cu impedanță minimă

La frecvențe de câțiva megaherți și mai sus, calea curentului semnalului este relativ ușor de determinat, deoarece calea cu impedanță minimă este, în general, calea cu inductanță minimă. În fig. Figura 2 prezintă două componente pe o placă de circuit imprimat. Un semnal de 50 MHz se deplasează de-a lungul unui conductor peste locul de testare de la componenta A la componenta B.



Știm că aceeași mărime a semnalului trebuie să se propagă înapoi de la componenta B la componenta A. Să presupunem că acest curent (să-i spunem revenire) curge de la borna componentei B, desemnată GND, la terminalul componentei A, denumită și GND. .

Deoarece integritatea poligonului este asigurată, iar bornele, desemnate ca GND, ale ambelor componente sunt situate aproape una de alta, acest lucru duce la concluzia că curentul va lua calea cea mai scurtă între ele (calea 1). Cu toate acestea, acest lucru nu este corect. Curenții de înaltă frecvență aleg calea cu cea mai mică inductanță (sau calea cu aria minimă a buclei, calea cu cea mai mică rotație). Cea mai mare parte a curentului de returnare a semnalului circulă prin poligon pe o cale îngustă chiar sub traseul semnalului (calea 2).

Dacă poligonul a fost realizat dintr-un motiv oarecare cu o decupare așa cum se arată în Figura 3, atunci decupajul 1 ar avea un efect redus asupra integrității și emisiei semnalului. Un alt decupaj 2 poate duce la probleme semnificative; intră în conflict cu recomandarea 2. Zona buclei crește semnificativ; curenții inversi sunt atât de intensi încât curg de-a lungul limitei discontinuității.



La frecvențe joase (în general kHz și mai jos), calea cu cea mai mică impedanță tinde să fie calea cu cea mai mică frecvență a semnalului. Pentru un PCB cu poligoane de curent de retur solid, rezistența poligonului tinde să disipeze curentul, astfel încât curentul care curge între două puncte îndepărtate poate fi răspândit pe o zonă mai mare a plăcii, așa cum se arată în Figura 4.



Pe o placă de semnal mixt cu componente analogice și digitale de joasă frecvență, aceasta poate fi o problemă. Figura 5 ilustrează modul în care o ruptură bine plasată într-o groapă de gunoi de pământ poate corecta situația prin captarea curenților de retur de joasă frecvență care curg prin depozitul de deșeuri într-o zonă desemnată.



Regula 2. Nu subdivizați poligonul semnalului de întoarcere

Asta e corect. Tocmai v-am arătat un exemplu excelent într-o situație în care crearea unei întreruperi în poligonul curent al semnalului de întoarcere a fost decizia corectă. Cu toate acestea, ca ingineri tipici EMC, vă sfătuim să nu faceți niciodată acest lucru. De ce? Deoarece multe dintre evoluțiile pe care le-am întâlnit de oameni bine înțeleși au fost rezultatul încălcării neintenționate a Regulii 1 și al creării de goluri în poligoane de întoarcere. Mai mult decât atât, pauză a fost adesea ineficientă și inutilă.

Un punct de vedere este că curentul semnalului de retur analogic ar trebui să fie întotdeauna izolat de curentul semnalului de retur digital. Această idee a apărut atunci când circuitele analogice și digitale funcționau la frecvențe kiloherți. De exemplu, plăcile care au fost folosite pentru audio digital au avut adesea probleme de zgomot din cauza influenței curenților de semnal digital de joasă frecvență care călătoreau sub zona plăcii unde erau amplasate amplificatoarele analogice sensibile. Cu ceva timp în urmă, designerii audio au încercat să evite această problemă prin separarea poligoanelor de curent de retur pentru a controla căile de retur și eliminând circuitele de curent analogice de cele digitale.

Studenții noștri sunt rugați să rezolve o problemă de proiectare care necesită protejarea componentelor analogice sensibile (de obicei amplificatoare audio sau oscilatoare blocate în fază) de porțiunea digitală a circuitului prin separarea poligonului de curent al semnalului de retur în așa fel încât curenții LF să fie izolați și curenții HF nu sunt generați De obicei, nu este evident cum se poate realiza acest lucru și, destul de des, întreruperea poligoanelor creează mai multe probleme decât rezolvă.

O situație similară apare la cablarea anvelopelor echipamentelor electronice de automobile sau aviație. În astfel de echipamente, curenții de retur a circuitului digital sunt adesea izolați de carcasa generală pentru a proteja circuitele digitale de deteriorarea cauzată de curenții mari LF care pot trece prin structura metalică a vehiculului. Filtrarea EMI și protecția tranzitorie necesită de obicei conexiuni la șasiu, în timp ce semnalul trebuie transmis în raport cu magistrala digitală de retur.

Când circuitul șasiului și poligoane de curent de retur digital împart aceeași magistrală, ele apar ca un singur poligon cu o discontinuitate. Acest lucru creează uneori confuzie cu privire la pământul la care ar trebui conectată orice componentă individuală. În această situație, este de obicei o idee bună să rulați magistrala șasiu și întoarcerea digitală pe autobuze separate. Poligonul semnalului de întoarcere digital trebuie să fie solid și să ocupe zona de sub toate componentele digitale, urmele și conectorii. Conexiunea la șasiu ar trebui să fie limitată la zona plăcii de lângă conectori.

Fără îndoială, există situații în care este necesară o pauză bine plasată în poligonul curent de retur. Cu toate acestea, cea mai fiabilă metodă este un poligon continuu pentru toți curenții semnalului de retur. În cazurile în care un singur semnal de joasă frecvență este susceptibil la interferență (capabil să se amestece cu alte semnale de pe placă), rutarea este utilizată pe un strat separat pentru a returna acest curent la sursă. În general, nu utilizați niciodată divizarea sau tăierea în poligonul curent al semnalului de întoarcere. Dacă sunteți totuși convins că o decupare în poligon este necesară pentru a rezolva problema izolării la frecvență joasă, consultați un expert. Nu vă bazați pe recomandări sau aplicații de proiectare și nu încercați să implementați un design care a funcționat pentru altcineva într-un design similar.

Acum că suntem familiarizați cu cele două reguli principale ale EMC, suntem gata să revizuim problema din Fig. 1. Care dintre alternative este cea mai bună? Prima este singura care nu contravine regulilor. Dacă dintr-un motiv oarecare (dincolo de dorințele de proiectare), a fost necesar un decalaj în poligonul de pământ, atunci a treia opțiune de cablare este mai acceptabilă. Trasarea de-a lungul discontinuității minimizează zona buclei de curent de semnal.

Regula 3: Nu plasați circuite de mare viteză între conectori

Aceasta este una dintre cele mai frecvente probleme în rândul modelelor de plăci pe care le-am revizuit și evaluat în laboratorul nostru. În plăcile simple care nu ar trebui să aibă defecțiuni în conformitate cu toate cerințele EMC fără niciun cost sau efort suplimentar, ecranarea și filtrarea bune au fost anulate deoarece această regulă simplă a fost încălcată.

De ce este atât de importantă plasarea conectorului? La frecvențe sub câteva sute de megaherți, lungimea de undă este de ordinul unui metru sau mai mult. Conductorii de pe placă - posibile antene - au o lungime electrică relativ scurtă și, prin urmare, funcționează ineficient. Cu toate acestea, cablurile sau alte dispozitive conectate la placă pot fi antene destul de eficiente.

Curenții de semnal care circulă prin conductori și se întorc prin poligoane solide creează căderi mici de tensiune între oricare două puncte ale poligonului. Aceste tensiuni sunt proporționale cu curentul care circulă prin poligon. Când toți conectorii sunt plasați pe o margine a plăcii, căderea de tensiune este neglijabilă.

Cu toate acestea, elementele de circuit de mare viteză plasate între conectori pot crea cu ușurință diferențe de potențial între conectori de câțiva milivolți sau mai mult. Aceste tensiuni pot induce curenți de excitație în cablurile conectate, crescând emisiile acestora.

O placă care îndeplinește toate specificațiile atunci când conectorii sunt amplasați pe o margine poate deveni coșmarul unui inginer EMC dacă chiar și un conector cu un cablu atașat este situat pe partea opusă a plăcii. Produsele care prezintă acest tip de problemă (cabluri care transportă tensiuni induse printr-un întreg poligon) sunt deosebit de dificil de restabilit la normal. Adesea, acest lucru necesită o ecranare destul de bună. În multe cazuri, această ecranare ar fi complet inutilă dacă conectorii ar fi amplasați pe o parte sau într-un colț al plăcii.

Regula 4. Timpul de tranziție al semnalului de control

O placă care rulează la 100 MHz nu ar trebui să îndeplinească niciodată cerințele atunci când rulează la 2 GHz. Un semnal digital bine modelat va avea multă putere în armonicile inferioare și nu atât de multă putere în cele superioare. Prin controlul timpului de tranziție a semnalului, este posibil să se controleze puterea semnalului la armonici mai mari, ceea ce este de preferat pentru EMC. Timpii tranzitori excesiv de lungi pot duce la probleme de integritate a semnalului și probleme termice. În timpul procesului de dezvoltare și proiectare, trebuie făcut un compromis între aceste condiții necesare concurente. Un timp tranzitoriu de aproximativ 20% din perioada semnalului are ca rezultat o formă de undă acceptabilă, reducând problemele cauzate de diafonie și radiații. În funcție de aplicație, timpul de tranziție poate fi mai mult sau mai mic de 20% din perioada semnalului; totuși, acest timp nu ar trebui să fie incontrolabil.

Există trei moduri principale de a modifica marginile semnalelor digitale:
- utilizarea microcircuitelor digitale dintr-o serie a căror performanță coincide cu performanța cerută,
- plasarea unui rezistor sau inductor pe ferită în serie cu semnalul de ieșire și
- plasarea unui condensator in paralel cu semnalul de iesire

Prima metodă este adesea cea mai simplă și cea mai eficientă. Utilizarea unui rezistor sau a feritei oferă proiectantului un control mai mare al tranzitorii și un impact mai mic asupra modificărilor care apar în familiile logice în timp. Avantajul utilizării unui condensator de control este că poate fi îndepărtat cu ușurință atunci când nu este necesar. Cu toate acestea, trebuie amintit că condensatorii cresc curentul sursei de semnal RF.

Rețineți că încercarea de a filtra un semnal cu un singur fir pe calea curentului de întoarcere este întotdeauna o idee proastă. De exemplu, nu dirijați niciodată o urmă de joasă frecvență printr-un gol din poligonul de retur în încercarea de a filtra zgomotul de înaltă frecvență. După ce ne uităm la primele două reguli, acest lucru ar trebui să fie evident. Cu toate acestea, plăcile care folosesc această strategie incorectă sunt uneori identificate în laboratorul nostru.

În general, în timpul procesului de proiectare și aranjare a plăcii, prioritățile trebuie stabilite pentru a se conforma cu reglementările EMC. Aceste reguli nu ar trebui să fie compromise în încercările de a respecta alte recomandări EMC. Cu toate acestea, există câteva recomandări suplimentare care merită luate în considerare. De exemplu, este important să se asigure o separare adecvată a magistralei de alimentare, să se mențină urmele I/O scurte și să se asigure filtrarea semnalelor de ieșire.

De asemenea, este o idee bună să vă alegeți cu atenție dispozitivele active. Nu toate componentele semiconductoare compatibile cu pin sunt echivalente în ceea ce privește zgomotul. Două dispozitive cu aceiași parametri tehnici, dar realizate de producători diferiți, pot diferi semnificativ în ceea ce privește zgomotul pe care îl creează la pinii de intrare și de ieșire, precum și la pinii de alimentare. Acest lucru este valabil mai ales pentru cipurile foarte integrate, cum ar fi microprocesoarele și circuitele integrate mari specifice aplicației (ASIC). Este o idee bună să evaluați componentele de la diferiți furnizori ori de câte ori este posibil.

În cele din urmă, aruncați o altă privire asupra designului dvs. Chiar dacă sunteți un designer de PCB cu experiență și un expert EMC, este bine să aveți pe cineva care cunoaște analiza EMC și familiarizat cu designul PCB. Lăsați-l să vă examineze critic designul.

În sfatul cui poți avea încredere? Aveți încredere în oricine ale cărui recomandări vă ajută în mod clar să îndepliniți cele patru reguli principale. O mică grijă suplimentară în timpul proiectării poate economisi o mulțime de timp, bani și efort care ar fi irosit încercând ca un produs insolubil să funcționeze corect.

Traducerea articolului:
Dr. Todd Hubing, Dr. Tom Van Doren
Proiectare pentru EMC: TOP 4 GHIDURI
Design și fabricație circuit imprimat, iunie 2003

Dr. Todd Hubing, profesor distins de inginerie electrică și informatică, a primit de două ori premiul „Best Symposium Publications” de la Simpozionul Internațional al Institutului de Ingineri Electrici și Electronici.

Dr. Tom Van Doren, profesor de inginerie electrică și informatică la Laboratorul de compatibilitate electromagnetică de la Universitatea Missouri-Rolla.

La proiectarea PCB-urilor pentru optimizarea costurilor, apar o serie de probleme cheie. Deși obiectivul inițial poate fi proiectarea PCB-ului cât mai mic posibil, aceasta poate să nu fie cea mai ieftină soluție pentru întregul sistem. Reducerea dimensiunii PCB este posibilă prin creșterea numărului de straturi de PCB, care la rândul său introduce probleme EMC care pot duce la costuri uriașe pe măsură ce proiectul progresează.

Interferența electromagnetică, EMI sau compatibilitatea electromagnetică, EMC este un factor cheie în proiectarea PCB-ului. Asigurarea compatibilității electromagnetice a întregului dispozitiv poate fi extrem de costisitoare dacă proiectantul face limitări în proiectarea și fabricarea plăcilor cu circuite imprimate, așa că unele abordări de reducere a costurilor trebuie eliminate chiar de la început. Dacă componentele interacționează cu sau emit EMI, va fi nevoie de costuri mari pentru a îndeplini cerințele EMC în timpul fazei de testare.

În timp ce o placă cu patru straturi este considerată echilibrul optim între protecția EMI și urmărirea plăcii, este adesea posibil să se proiecteze o placă cu două straturi cu aceleași caracteristici folosind instrumente gratuite de urmărire PCB, cum ar fi PCB DesignSpark. Acest lucru asigură o reducere semnificativă a costului de fabricație a unei plăci de circuit imprimat, fără a afecta testele viitoare.

Căile de întoarcere a semnalului sunt cea mai dificilă problemă în rutarea PCB. Ar fi destul de dificil să urmăriți masa de retur sub fiecare urmă conectată la pinul de semnal al microcontrolerului, dar exact asta oferă o placă cu patru straturi cu un plan de masă. Nu contează unde sunt urmele, există întotdeauna o cale de întoarcere la pământ sub ele.

Cel mai apropiat lucru de un plan de masă în ceea ce privește caracteristicile pe o placă cu două straturi este grila de masă, care reduce emisia de interferențe electromagnetice de la urmele semnalului. Reducerea zonei buclei prin direcționarea căii de întoarcere sub traseul semnalului este cea mai eficientă modalitate de a rezolva această problemă, iar crearea unei rețele de masă este cel mai important pas (după planificarea aspectului) în rutarea PCB.

Generarea unei zăbrele creează o suprafață

Generarea rețelei este o tehnică cheie pentru realizarea EMC în plăcile cu două straturi. Foarte asemănătoare cu o rețea de energie electrică, este o rețea de conexiuni dreptunghiulare între conductori împământați. De fapt, acest lucru creează un plan de masă care oferă aceeași reducere EMI ca o placă cu patru straturi și emite de fapt planul de masă utilizat într-o placă cu patru straturi pentru a oferi îmbunătățiri EMC prin crearea unei căi de întoarcere la sol sub fiecare urmă de semnal și reducerea impedanța dintre microcontroler și regulatorul de tensiune.

Generarea rețelei este realizată prin extinderea căilor de împământare și crearea unor figuri plane conductoare împământate pentru a crea o rețea de conexiuni la pământ pe întreaga suprafață a PCB-ului. De exemplu, dacă un PCB are urme predominant din stratul superior care rulează vertical și urme ale stratului inferior care rulează predominant orizontal, acest lucru degradează deja condițiile pentru rutarea căilor de întoarcere la masă sub firele de semnal, ceea ce se face de obicei în două etape:

• În primul rând, toți conductorii de împământare sunt extinși pentru a ocupa cel mai mare spațiu pe placa de circuit imprimat;
• apoi orice spațiu liber rămas este umplut cu o suprafață împămânțată.

Scopul acestei abordări este de a genera cât mai multe rețele posibil pe un PCB cu două straturi. Micile modificări ale aspectului PCB-ului pot permite conexiuni suplimentare pentru a crește suprafața rețelei de pământ.

Zonarea PCB

Zonarea PCB este o altă tehnică care poate fi utilizată pentru a reduce zgomotul și EMI ale unui PCB și, astfel, pentru a reduce nevoia de straturi suplimentare de PCB. Această tehnologie are aceeași semnificație de bază ca planificarea amplasării componentelor, care este procesul de determinare a locației componentelor pe o placă goală înainte de rutarea firelor. Zonarea PCB este un proces puțin mai complex de plasare a funcționalităților similare într-o zonă a PCB-ului, mai degrabă decât amestecarea componentelor diferite din punct de vedere funcțional. Logica de mare viteză, inclusiv microcontrolere, este plasată cât mai aproape de circuitele de putere, componentele lente sunt situate mai departe, iar componentele analogice sunt mai departe. Această abordare are un impact semnificativ asupra EMC al PCB-ului.

Cu acest aranjament, logica de mare viteză are un impact mai mic asupra altor căi de semnal. Este deosebit de important ca bucla de cristal să fie situată departe de circuite analogice, semnale de viteză mică și conectori. Această regulă se aplică atât plăcilor de circuite imprimate, cât și plasării componentelor în interiorul dispozitivului. Ar trebui evitate aranjamentele care plasează mănunchiuri de cabluri în jurul rezonatorului sau microcontrolerului, deoarece aceste cabluri vor colecta zgomotul și îl vor transporta. Astfel, zonarea determină și amplasarea conectorilor pe placa de circuit imprimat.

Instrumente de proiectare PCB

Există multe instrumente de proiectare disponibile pentru a sprijini proiectarea având în vedere optimizarea EMC. Unul dintre aceste mijloace Cele mai recente versiuni DesignSpark PCB care acceptă verificarea regulilor de proiectare (DRC, verificarea regulilor de proiectare) în timpul rutării, mai degrabă decât atunci când verificarea după finalizarea rutei. Acest lucru este util în special atunci când optimizați un PCB pentru costuri, deoarece orice conflicte sau erori sunt semnalate imediat și pot fi rezolvate. Desigur, aceste verificări depind de caracterul complet al informațiilor specificate de proiectant, dar această abordare vă permite să accelerați procesul de rutare și astfel să eliberați timp pentru alte probleme importante.

În versiunea 5 Verificarea online a regulilor de proiectare DesignSpark PCB verifică orice componente care au fost adăugate și mutate ca urmare a operațiunilor de editare interactivă. De exemplu, toate firele atașate la o componentă mutată și toate firele adăugate prin rutare manuală sunt verificate.

Versiunea 5 adaugă, de asemenea, suport pentru autobuze, astfel încât conductorii să poată fi grupați și direcționați împreună cu ușurință. În loc să deseneze toate conexiunile dintr-un design și să le conecteze la fiecare pin, proiectantul poate crea un design mai puțin aglomerat folosind magistralele adăugând conexiunile pin ale componentei la magistrala prin care este transportat semnalul.

Figura 1: Adăugarea de bare la DesignSpark PCB versiunea 5

Anvelopele pot fi deschise sau închise. O magistrală închisă este o colecție de nume de conductori predefinite pentru o anumită magistrală și numai acei conductori se pot conecta la o anumită magistrală, în timp ce o magistrală deschisă poate include orice conductor.

Deși aceste caracteristici au sens atunci când direcționați autobuzele, ele pot fi utilizate pentru a ruta alți conductori pe o placă de circuit imprimat. Această capacitate de a folosi bare colectoare în circuite poate ajuta la simplificarea și claritatea unui design prin gruparea mai multor conductori predispuși la EMI împreună cu conductorii de retur la pământ din jur, reducând astfel EMI pe placa proiectată. O regulă de bază bună este să nu rulați niciodată conductori care emit EMI pe exteriorul plăcii, ceea ce poate fi dificil pentru plăcile mici, cu două straturi. Deplasarea circuitelor care nu emit EMI departe de locuri precum conectori, circuite rezonatoare, relee și drivere de relee unde EMI pot fi induse în aceste circuite ajută, de asemenea, la îmbunătățirea EMC.

Concluzie

Proiectarea unui PCB cu simplitatea necesară pentru a reduce costurile este, fără îndoială, o sarcină mai dificilă decât exploatarea bogăției unei plăci multistrat.

Unele probleme de EMC pot fi rezolvate prin utilizarea condensatoarelor de cuplare și a perlelor de ferită pentru a suprima orice semnal care ar putea fi emis, dar acest lucru adaugă complexitate designului și crește costurile de producție. Dacă problemele EMI și EMC pot fi minimizate prin reguli de proiectare adecvate, folosind considerații de zonare și interferență, generarea de energie electrică și rețele de împământare poate oferi același nivel de ecranare într-o placă cu două straturi, așa cum este posibil într-un design cu patru sau șase straturi. Acest lucru nu numai că reduce costul de fabricație a plăcilor, dar îmbunătățește și fiabilitatea și performanța, inclusiv compatibilitatea electromagnetică, reducând astfel costurile ciclului de viață al hardware-ului.

1. Dispoziții generale

Pentru a preveni problemele de electrostatică și zgomot, trebuie respectate anumite reguli la așezarea plăcii de circuit imprimat. Punctul cel mai critic este pinul C, deoarece este conectat la sursa de alimentare încorporată de 3,3 volți a miezului MK. Prin urmare, condensatorul de filtru ar trebui să fie amplasat cât mai aproape de terminal.

De asemenea, ar trebui să acordați o atenție deosebită cablajului circuitelor de alimentare și de masă. Mâncarea este furnizată de o „stea”. Vă recomandăm să plasați un strat de pământ pe partea de instalare direct sub corpul MK. Liniile Vcc și Vss ar trebui să aibă un singur punct de conectare la restul circuitului pentru a evita interferențele pe MK și de la MK. Condensatoarele de filtru (DeCaps) ar trebui să fie amplasate cât mai aproape de bornele corespunzătoare. Dacă sunt îndepărtate prea mult, ei încetează să-și îndeplinească funcția.

Când se utilizează rezonatoare cu cuarț, acestea ar trebui să fie amplasate la o distanță minimă de bornele Xn(A).

Dacă este posibil, este recomandabil să plasați condensatori de filtru pe partea de montare MK.

2 Cablajul sursei de alimentare

Autobuzele Vcc și Vss trebuie direcționate nu într-un lanț de serie, ci într-o „stea”. Pentru Vss, se recomandă un poligon de pământ sub corpul MK, conectat la un punct la restul circuitului.

Mai jos sunt două exemple de cablare proastă și bună a sursei de alimentare.

Filtrare de ieșire 3 C

4 Circuite de putere de filtrare

Condensatoarele de filtru (DeCaps) pentru circuitele de alimentare trebuie să fie amplasate pe calea curenților de putere, altfel utilizarea lor nu are sens. Următoarea figură explică această afirmație:

5 Amplasarea rezonatorului de cuarț și cablarea circuitelor de semnal

Cuarțul ar trebui să fie situat cât mai aproape de MK posibil. Astfel, condensatorii generatorului vor fi amplasați „în spatele” cuarțului.

6 Documentație suplimentară

Pentru informații mai detaliate, consultați Ghidul aplicației 16bit-EMC.

7 Lista concluziilor MK

Tabelul prezintă pinii MK care sunt esențiali pentru interacțiunile electromagnetice și informații scurte despre conexiunea lor.

Nume de ieșire	Funcția îndeplinită
Vcc
Vss	Alimentare principală pentru porturile I/O ale miezului MK, lângă intrarea regulatorului intern de 3,3 V, lângă oscilatorul cu cristal
CU	Condensator de netezire extern pentru regulatorul încorporat de 3,3 V utilizat pentru alimentarea miezului MK. Vă rugăm să rețineți că acest pin este principala sursă de zgomot.
AVcc*	Alimentare ADC
AVss*	Alimentare ADC
AVRL*
AVRH*	Intrare de referință ADC
DVcc*, HVcc*	Sursa de alimentare pentru ieșirile PWM de mare curent, cu Vcc neconectat, trebuie conectată la o sursă de alimentare suplimentară.
DVss*, HVss*	Sursa de alimentare pentru ieșirile PWM cu curent ridicat, cu Vss neconectat, trebuie conectată la o sursă de alimentare suplimentară.
X0, X0A*	Intrare generator. Dacă nu este utilizat, conectați printr-un rezistor la sursa de alimentare „+” sau la masă (vezi DS).
X1, X1A*	Ieșire generator. Cristalul și condensatorul trebuie conectate pe calea cea mai scurtă la pinul X1. Dacă nu este folosit, lăsați neconectat.

* - este posibil să nu fie prezent într-un anumit MK

CONSIDERENTE GENERALE

Datorită diferențelor semnificative dintre circuitele analogice și cele digitale, porțiunea analogică a circuitului trebuie separată de restul și trebuie respectate metode și reguli speciale la cablarea acesteia. Efectele performanței PCB non-ideale sunt deosebit de vizibile în circuitele analogice de înaltă frecvență, dar tipul general de erori descrise în acest articol poate afecta performanța dispozitivelor care funcționează chiar și în domeniul de frecvență audio.

Intenția acestui articol este de a discuta despre greșelile comune făcute de designerii PCB, de a descrie impactul acestor greșeli asupra performanței calității și de a oferi recomandări pentru rezolvarea problemelor care apar.

Placă de circuit imprimat - componentă a circuitului

Numai în cazuri rare poate fi direcționat un circuit analogic PCB astfel încât influențele pe care le introduce să nu aibă niciun efect asupra funcționării circuitului. În același timp, orice astfel de impact poate fi minimizat, astfel încât caracteristicile circuitelor analogice ale dispozitivului să fie aceleași cu cele ale modelului și prototipului.

Aspect

Dezvoltatorii de circuite digitale pot corecta mici erori de pe placa fabricată adăugând jumperi la aceasta sau, dimpotrivă, îndepărtând conductorii inutile, efectuând modificări în funcționarea cipurilor programabile etc., trecând foarte rapid la următoarea dezvoltare. Acesta nu este cazul unui circuit analogic. Unele dintre erorile comune discutate în acest articol nu pot fi corectate prin adăugarea de jumperi sau prin eliminarea conductorilor în exces. Ele pot și vor face ca întreaga placă de circuit imprimat să fie inoperabilă.

Este foarte important pentru un proiectant de circuite digitale care utilizează astfel de metode de corecție să citească și să înțeleagă materialul prezentat în acest articol cu ​​mult înainte de a trimite proiectul la producție. O mică atenție la proiectare și o discuție asupra opțiunilor posibile nu numai că va împiedica PCB-ul să devină vechi, ci și va reduce costul erorilor grave într-o mică parte analogică a circuitului. Găsirea erorilor și remedierea lor poate duce la sute de ore pierdute. Prototiparea poate reduce acest timp la o zi sau mai puțin. Breadboard toate circuitele dvs. analogice.

Surse de zgomot și interferențe

Zgomotul și interferența sunt principalele elemente care limitează calitatea circuitelor. Interferența poate fi fie emisă de surse, fie indusă pe elementele circuitului. Circuitele analogice sunt adesea amplasate pe o placă de circuit imprimat împreună cu componente digitale de mare viteză, inclusiv procesoare de semnal digital ( DSP).

Semnalele logice de înaltă frecvență generează interferențe RF semnificative ( RFI). Numărul surselor de emisie de zgomot este enorm: surse de alimentare cheie pentru sisteme digitale, telefoane mobile, radio și televiziune, surse de alimentare pentru lămpi fluorescente, computere personale, fulgere etc. Chiar dacă un circuit analogic funcționează în domeniul de frecvență audio, interferența de radiofrecvență poate crea zgomot vizibil în semnalul de ieșire.

Alegerea designului PCB este un factor important în determinarea performanței mecanice a dispozitivului general. Pentru fabricarea plăcilor cu circuite imprimate se folosesc materiale de diferite niveluri de calitate. Va fi cel mai potrivit și convenabil pentru dezvoltator dacă producătorul plăcii de circuite imprimate este situat în apropiere. În acest caz, este ușor să controlați rezistivitatea și constanta dielectrică - principalii parametri ai materialului plăcii de circuit imprimat. Din păcate, acest lucru nu este suficient și cunoașterea altor parametri precum inflamabilitatea, stabilitatea la temperatură ridicată și coeficientul de higroscopicitate este adesea necesară. Acești parametri pot fi cunoscuți numai de producătorul componentelor utilizate în producția de plăci cu circuite imprimate.

Materialele stratificate sunt desemnate prin indicii FR ( rezistent la flacără, rezistență la aprindere) și G. Materialul cu indice FR-1 are cea mai mare inflamabilitate, iar FR-5 - cea mai mică. Materialele cu indici G10 și G11 au caracteristici speciale. Materialele plăcilor de circuite imprimate sunt date în tabel. 1.

Nu utilizați PCB categoria FR-1. Există multe exemple de PCB-uri FR-1 care au suferit daune termice din cauza componentelor de mare putere. Plăcile cu circuite imprimate din această categorie sunt mai asemănătoare cu cartonul.

FR-4 este adesea folosit la fabricarea de echipamente industriale, în timp ce FR-2 este folosit la fabricarea de aparate electrocasnice. Aceste două categorii sunt standardizate în industrie, iar PCB-urile FR-2 și FR-4 sunt adesea potrivite pentru majoritatea aplicațiilor. Dar uneori caracteristicile imperfecte ale acestor categorii forțează utilizarea altor materiale. De exemplu, pentru aplicații de foarte înaltă frecvență, fluoroplastic și chiar ceramică sunt utilizate ca materiale pentru plăci de circuite imprimate. Cu toate acestea, cu cât materialul PCB este mai exotic, cu atât prețul poate fi mai mare.

Atunci când alegeți un material PCB, acordați o atenție deosebită higroscopicității acestuia, deoarece acest parametru poate avea un efect negativ puternic asupra caracteristicilor dorite ale plăcii - rezistența la suprafață, scurgerile, proprietățile de izolare de înaltă tensiune (defecțiuni și scântei) și rezistența mecanică. Acordați atenție și temperaturii de funcționare. Punctele fierbinți pot apărea în locuri neașteptate, cum ar fi lângă circuite mari digitale integrate care comută la frecvențe înalte. Dacă astfel de zone sunt situate direct sub componentele analogice, temperaturile crescute pot afecta performanța circuitului analogic.

tabelul 1

	Componente, comentarii
	hârtie, compoziție fenolică: presare și ștanțare la temperatura camerei, coeficient de higroscopicitate ridicat
	hârtie, compoziție fenolică: aplicabilă pentru plăcile cu circuite imprimate pe o singură față ale aparatelor de uz casnic, coeficient de higroscopicitate scăzut
	hârtie, compoziție epoxidice: modele cu proprietăți mecanice și electrice bune
	fibră de sticlă, compoziție epoxidice: proprietăți mecanice și electrice excelente
	fibra de sticla, compozitie epoxidica: rezistenta ridicata la temperaturi ridicate, neinflamabil
	fibră de sticlă, compoziție epoxidică: proprietăți izolante ridicate, cea mai mare rezistență a fibrei de sticlă, coeficient de higroscopicitate scăzut
	fibră de sticlă, compoziție epoxidică: rezistență ridicată la încovoiere la temperaturi ridicate, rezistență ridicată la solvenți

Odată ce materialul PCB este selectat, trebuie determinată grosimea foliei PCB. Acest parametru este selectat în primul rând pe baza valorii maxime a curentului care curge. Dacă este posibil, încercați să evitați utilizarea foliei foarte subțiri.

NUMĂR DE STRATURILE DE PLACĂ IMPRIMATĂ

În funcție de complexitatea generală a circuitului și de cerințele de calitate, proiectantul trebuie să determine numărul de straturi ale PCB.

PCB-uri cu un singur strat

Circuitele electronice foarte simple sunt realizate pe plăci cu o singură față folosind materiale de folie ieftine (FR-1 sau FR-2) și au adesea mulți jumperi, care seamănă cu plăcile cu două fețe. Această metodă de creare a plăcilor cu circuite imprimate este recomandată numai pentru circuitele de joasă frecvență. Din motive care vor fi descrise mai jos, plăcile de circuite imprimate pe o singură față sunt foarte susceptibile la interferențe . Un PCB bun cu o singură față este destul de dificil de proiectat din multe motive. Cu toate acestea, există plăci bune de acest tip, dar atunci când le proiectați, trebuie să vă gândiți mult în avans.

PCB-uri cu strat dublu

La nivelul următor se află plăcile de circuite imprimate pe două fețe, care în majoritatea cazurilor folosesc FR-4 ca material substrat, deși uneori se găsește și FR-2. Utilizarea FR-4 este mai de preferat, deoarece orificiile plăcilor de circuite imprimate realizate din acest material sunt de o calitate mai bună. Circuitele de pe plăcile de circuite imprimate pe două fețe sunt mult mai ușor de conectat deoarece În două straturi este mai ușor să traseți rutele care se intersectează. Cu toate acestea, pentru circuitele analogice, încrucișarea urmelor nu este recomandată. Acolo unde este posibil, stratul inferior ( fund) trebuie alocate sub groapa de gunoi, iar semnalele rămase trebuie direcționate în stratul superior ( top). Utilizarea unei gropi de gunoi ca autobuz de pământ oferă mai multe avantaje:

• firul comun este firul cel mai frecvent conectat în circuit; prin urmare, este rezonabil să aveți „multe” fire comune pentru a simplifica cablarea.
• rezistența mecanică a plăcii crește.
• rezistența tuturor conexiunilor la firul comun scade, ceea ce, la rândul său, reduce zgomotul și interferența.
• Capacitatea distribuită pentru fiecare circuit de circuit este crescută, ajutând la suprimarea zgomotului radiat.
• poligonul, care este un ecran, suprimă interferența emisă de sursele situate pe partea laterală a poligonului.

PCB-urile cu două fețe, în ciuda tuturor avantajelor lor, nu sunt cele mai bune, în special pentru circuitele cu semnal scăzut sau de mare viteză. În general, grosimea plăcii de circuit imprimat, adică distanța dintre straturile de metalizare este de 1,5 mm, ceea ce este prea mare pentru a realiza pe deplin unele dintre avantajele unei plăci de circuit imprimat cu două straturi prezentate mai sus. Capacitatea distribuită, de exemplu, este prea mică din cauza unui interval atât de mare.

PCB-uri multistrat

Pentru proiectarea circuitelor critice, sunt necesare plăci de circuite imprimate multistrat (MPB). Câteva motive pentru utilizarea lor sunt evidente:

• Distribuția magistralelor de alimentare este la fel de convenabilă ca și pentru magistrala comună; dacă poligoane de pe un strat separat sunt folosite ca magistrale de alimentare, atunci este destul de simplu să furnizați energie fiecărui element de circuit folosind vias;
• straturile de semnal sunt eliberate de magistralele de alimentare, ceea ce facilitează cablarea conductorilor de semnal;
• Capacitatea distribuită apare între poligoane de pământ și putere, ceea ce reduce zgomotul de înaltă frecvență.

Pe lângă aceste motive pentru utilizarea plăcilor cu circuite imprimate multistrat, există și altele, mai puțin evidente:

• suprimare electromagnetică mai bună ( EMI) și frecvența radio ( RFI) interferențe datorate efectului de reflexie ( efectul plan al imaginii), cunoscut pe vremea lui Marconi. Când un conductor este plasat aproape de o suprafață conducătoare plană, majoritatea curenților de retur de înaltă frecvență vor curge de-a lungul planului direct sub conductor. Direcția acestor curenți va fi opusă direcției curenților din conductor. Astfel, reflexia conductorului în plan creează o linie de transmisie a semnalului. Deoarece curenții din conductor și din plan sunt egale ca mărime și opuse ca direcție, se creează o anumită reducere a interferenței radiate. Efectul de reflexie funcționează eficient numai cu poligoane solide neîntrerupte (acestea pot fi atât poligoane de pământ, cât și poligoane de putere). Orice pierdere a integrității va duce la reducerea interferențelor.
• reducerea costurilor totale pentru producția la scară mică. Deși PCB-urile multistrat sunt mai scumpe de fabricat, radiația lor potențială este mai mică decât cea a PCB-urilor cu un singur și dublu strat. Prin urmare, în unele cazuri, utilizarea numai a plăcilor multistrat vă va permite să îndepliniți cerințele de emisie stabilite în timpul proiectării, fără testare și testare suplimentară. Utilizarea MPP poate reduce nivelul de interferență radiată cu 20 dB în comparație cu plăcile cu două straturi.

Ordinea straturilor

Designerii neexperimentați au adesea o oarecare confuzie cu privire la ordinea optimă a straturilor PCB. Să luăm, de exemplu, o cameră cu 4 straturi care conține două straturi de semnal și două straturi de poligoane - un strat de sol și un strat de putere. Care este cea mai bună ordine a straturilor? Straturi de semnal între poligoane care vor servi drept ecrane? Sau ar trebui să facem straturile poligoanelor interne pentru a reduce interferența straturilor de semnal?

Când abordăm această problemă, este important să ne amintim că de multe ori locația straturilor nu contează prea mult, deoarece componentele sunt oricum situate pe straturile exterioare, iar magistralele care furnizează semnale pinii lor trec uneori prin toate straturile. Prin urmare, orice efect de ecran este doar un compromis. În acest caz, este mai bine să aveți grijă de a crea o capacitate mare distribuită între poligoane de putere și de pământ, plasându-le în straturile interioare.

Un alt avantaj al plasării straturilor de semnal în exterior este disponibilitatea semnalelor pentru testare, precum și capacitatea de a modifica conexiunile. Oricine a schimbat vreodată conexiunile conductoarelor amplasate în straturile interioare va aprecia această oportunitate.

Pentru PCB-urile cu mai mult de patru straturi, regula generală este să plasați conductori de semnal de mare viteză între poligoane de pământ și de putere și să direcționați conductorii de semnal de joasă frecvență către straturile exterioare.

PĂMÂNTARE

O bună împământare este o cerință generală pentru un sistem bogat, cu mai multe niveluri. Și ar trebui să fie planificat încă de la primul pas de dezvoltare a designului.

Regula de bază: împărțirea pământului .

Împărțirea terenului în părți analogice și digitale este una dintre cele mai simple și mai eficiente metode de reducere a zgomotului. Unul sau mai multe straturi ale unei plăci cu circuite imprimate multistrat sunt de obicei dedicate unui strat de poligoane de pământ. Dacă dezvoltatorul nu este foarte experimentat sau neatent, atunci pământul părții analogice va fi conectat direct la aceste poligoane, de exemplu. returul curent analogic va folosi același circuit ca și curentul retur digital. Auto-distribuitorii funcționează aproape în același mod și unesc toate terenurile împreună.

Dacă o placă de circuit imprimat dezvoltată anterior cu un singur poligon de împământare care combină pământuri analogice și digitale este supusă prelucrării, atunci este necesar să se separe fizic mai întâi pământurile de pe placă (după această operațiune, funcționarea plăcii devine aproape imposibilă). După aceasta, toate conexiunile sunt realizate la împământarea analogică a componentelor circuitului analogic (se formează masa analogică) și la masa digitală a componentelor circuitului digital (se formează masa digitală). Și numai după aceasta, pământul digital și analogic sunt combinate la sursă.

Alte reguli pentru formarea terenului:

Aproape toate semnalele de ceas sunt semnale de frecvență suficient de mare încât chiar și capacități mici între urme și poligoane pot crea cuplari semnificative. Trebuie amintit că nu numai frecvența fundamentală de ceas poate cauza o problemă, ci și armonicile sale superioare.

Exemplu de plasare bună a componentelor

Figura 4 prezintă un aspect posibil al tuturor componentelor de pe placă, inclusiv al sursei de alimentare. Acesta utilizează trei planuri de masă/putere separate și izolate: unul pentru sursă, unul pentru circuitul digital și unul pentru circuitul analogic. Circuitele de masă și de alimentare ale părților analogice și digitale sunt combinate numai în sursa de alimentare. Zgomotul de înaltă frecvență este filtrat în circuitele de alimentare prin șocuri. În acest exemplu, semnalele de înaltă frecvență ale părților analogice și digitale sunt separate unul de celălalt. Acest design are o probabilitate foarte mare de un rezultat favorabil, deoarece asigură o bună plasare a componentelor și respectarea regulilor de separare a circuitelor.

Există un singur caz în care este necesară combinarea semnalelor analogice și digitale pe o zonă de masă analogică. Convertoarele analog-digital și digital-analogic sunt găzduite în carcase cu pini de împământare analogi și digitali. Ținând cont de discuția anterioară, se poate presupune că pinul de masă digital și pinul de împământare analogic ar trebui să fie conectate la magistralele de masă digitale și, respectiv, analogice. Cu toate acestea, în acest caz, acest lucru nu este adevărat.

Denumirile pinilor (analogici sau digitali) se referă doar la structura internă a convertorului, la conexiunile interne ale acestuia. În circuit, acești pini trebuie să fie conectați la magistrala analogică de masă. Conexiunea se poate face și în interiorul unui circuit integrat, dar obținerea unei rezistențe scăzute a unei astfel de conexiuni este destul de dificilă din cauza restricțiilor topologice. Prin urmare, atunci când se utilizează convertoare, se presupune că pinii de masă analogi și digitali sunt conectați extern. Dacă nu se face acest lucru, atunci parametrii microcircuitului vor fi semnificativ mai răi decât cei indicați în specificație.

Trebuie avut în vedere faptul că elementele digitale ale convertorului pot degrada caracteristicile de calitate ale circuitului prin introducerea de zgomot digital în circuitele analogice de masă și de putere analogice. La proiectarea convertoarelor, acest impact negativ este luat în considerare, astfel încât partea digitală să consume cât mai puțină energie. În același timp, interferența de la elementele logice de comutare este redusă. Dacă pinii digitali ai convertorului nu sunt încărcați puternic, atunci comutarea internă de obicei nu provoacă probleme speciale. Atunci când proiectați un PCB care conține un ADC sau DAC, trebuie acordată o atenție deosebită decuplării sursei de alimentare digitală a convertorului la masă analogică.

CARACTERISTICI DE FRECVENTA ALE COMPONENTELOR PASIVE

Selectarea corectă a componentelor pasive este esențială pentru funcționarea corectă a circuitelor analogice. Începeți-vă proiectarea luând în considerare cu atenție caracteristicile de înaltă frecvență ale componentelor pasive și plasarea preliminară și aspectul acestora pe schița de pe placă.

Un număr mare de designeri ignoră complet limitările de frecvență ale componentelor pasive atunci când sunt utilizate în circuite analogice. Aceste componente au intervale de frecvență limitate și operarea lor în afara intervalului de frecvență specificat poate duce la rezultate imprevizibile. Unii ar putea crede că această discuție se referă doar la circuitele analogice de mare viteză. Cu toate acestea, acest lucru este departe de a fi adevărat - semnalele de înaltă frecvență au un impact puternic asupra componentelor pasive ale circuitelor de joasă frecvență prin radiație sau comunicare directă prin conductori. De exemplu, un filtru trece-jos simplu pe un amplificator operațional poate deveni cu ușurință un filtru trece-înalt atunci când este expus la frecvență înaltă la intrarea sa.

Rezistoare

Caracteristicile de înaltă frecvență ale rezistențelor pot fi reprezentate de circuitul echivalent prezentat în Figura 5.

Există trei tipuri de rezistențe utilizate în mod obișnuit: 1) bobinat, 2) compozit de carbon și 3) film. Nu este nevoie de multă imaginație pentru a înțelege cum un rezistor bobinat poate fi convertit într-o inductanță, deoarece este o bobină de sârmă din metal de înaltă rezistență. Majoritatea dezvoltatorilor de dispozitive electronice nu au nicio idee despre structura internă a rezistențelor de film, care sunt, de asemenea, o bobină, deși sunt făcute dintr-o peliculă metalică. Prin urmare, rezistențele de film au și o inductanță mai mică decât cea a rezistențelor bobinate. Rezistoarele de film cu o rezistență de cel mult 2 kOhm pot fi utilizate liber în circuite de înaltă frecvență. Terminalele rezistoarelor sunt paralele între ele, astfel încât există o cuplare capacitivă vizibilă între ele. Pentru rezistențele de mare valoare, capacitatea de la terminal la terminal va reduce impedanța totală la frecvențe înalte.

Condensatoare

Caracteristicile de înaltă frecvență ale condensatoarelor pot fi reprezentate de circuitul echivalent prezentat în Figura 6.

Condensatorii din circuitele analogice sunt utilizați ca componente de decuplare și filtrare. Pentru un condensator ideal, reactanța este determinată de următoarea formulă:

Prin urmare, un condensator electrolitic de 10 µF va avea o rezistență de 1,6 ohmi la 10 kHz și 160 µohmi la 100 MHz. E chiar asa?

Când utilizați condensatori electrolitici, trebuie să aveți grijă pentru a asigura conectarea corectă. Borna pozitivă trebuie conectată la un potențial constant mai pozitiv. O conexiune incorectă are ca rezultat trecerea curentului continuu prin condensatorul electrolitic, care poate deteriora nu numai condensatorul în sine, ci și o parte a circuitului.

În cazuri rare, diferența de potențial DC între două puncte din circuit își poate schimba semnul. Acest lucru necesită utilizarea de condensatoare electrolitice nepolare, a căror structură internă este echivalentă cu doi condensatori polari conectați în serie.

Inductanţă

Caracteristicile de înaltă frecvență ale inductanțelor pot fi reprezentate de circuitul echivalent prezentat în Figura 7.

Reactanța inductanței este descrisă prin următoarea formulă:

Prin urmare, o inductanță de 10 mH va avea o reactanță de 628 ohmi la 10 kHz și o reactanță de 6,28 megaohmi la 100 MHz. Dreapta?

Placă de circuit imprimat

Placa de circuit imprimat în sine are caracteristicile componentelor pasive discutate mai sus, deși nu sunt atât de evidente.

Modelul conductorilor de pe o placă de circuit imprimat poate fi atât o sursă, cât și un receptor de interferență. Cablajul bun reduce sensibilitatea circuitului analogic la sursele de radiații.

Placa de circuit imprimat este susceptibilă la radiații deoarece conductorii și conductorii componentelor formează un fel de antenă. Teoria antenei este un subiect destul de complex de studiat și nu este tratată în acest articol. Cu toate acestea, câteva elemente de bază sunt furnizate aici.

Un pic de teorie a antenei

La curent continuu sau frecvente joase predomina componenta activa. Pe măsură ce frecvența crește, componenta reactivă devine din ce în ce mai semnificativă. În intervalul de la 1 kHz la 10 kHz, componenta inductivă începe să aibă efect, iar conductorul nu mai este un conector de impedanță scăzută, ci acționează mai degrabă ca un inductor.

Formula pentru calcularea inductanței unui conductor PCB este următoarea:

De obicei, urmele de pe o placă de circuit imprimat au valori de la 6 nH la 12 nH pe centimetru de lungime. De exemplu, un conductor de 10 cm are o rezistență de 57 mOhm și o inductanță de 8 nH pe cm La o frecvență de 100 kHz, reactanța devine 50 mOhm, iar la frecvențe mai mari conductorul va fi mai degrabă o inductanță decât una rezistivă. .

Regula pentru o antenă bici este că începe să interacționeze vizibil cu câmpul la aproximativ 1/20 din lungimea de undă, iar interacțiunea maximă are loc la o lungime a tijei de 1/4 din lungimea de undă. Prin urmare, conductorul de 10 cm din exemplul din paragraful anterior va începe să devină o antenă destul de bună la frecvențe de peste 150 MHz. Trebuie amintit că, în ciuda faptului că generatorul de ceas al unui circuit digital poate să nu funcționeze la frecvențe mai mari de 150 MHz, armonici mai mari sunt întotdeauna prezente în semnalul său. Dacă placa de circuit imprimat conține componente cu pini de lungime considerabilă, atunci astfel de pini pot servi și ca antene.

Celălalt tip principal de antenă este antena buclă. Inductanța unui conductor drept crește foarte mult atunci când se îndoaie și devine parte a unui arc. Creșterea inductanței scade frecvența la care antena începe să interacționeze cu liniile de câmp.

Designerii PCB cu experiență, cu o înțelegere rezonabilă a teoriei antenei cu buclă, știu să nu proiecteze bucle pentru semnale critice. Unii designeri, însă, nu se gândesc la acest lucru, iar conductorii de curent de retur și semnal din circuitele lor sunt bucle. Crearea antenelor buclă este ușor de demonstrat cu un exemplu (Fig. 8). În plus, crearea unei antene cu slot este prezentată aici.

Să luăm în considerare trei cazuri:

Opțiunea A este un exemplu de design prost. Nu folosește deloc un poligon de pământ analogic. Circuitul buclă este format din conductorii de masă și de semnal. Când trece un curent, apar un câmp electric și un câmp magnetic perpendicular pe acesta. Aceste câmpuri formează baza antenei buclă. Regula antenei buclă prevede că pentru o eficiență optimă, lungimea fiecărui conductor ar trebui să fie egală cu jumătate din lungimea de undă a radiației primite. Cu toate acestea, nu trebuie să uităm că, chiar și la 1/20 din lungimea de undă, antena buclă este încă destul de eficientă.

Opțiunea B este mai bună decât Opțiunea A, dar există un decalaj în poligon, probabil pentru a crea un loc specific pentru rutarea conductorilor de semnal. Căile de semnal și de curent de retur formează o antenă cu slot. Alte bucle se formează în decupările din jurul chipsurilor.

Opțiunea B este un exemplu de design mai bun. Căile semnalului și ale curentului de retur coincid, anulând eficiența antenei bucle. Rețineți că acest design are și decupaje în jurul cipurilor, dar acestea sunt separate de calea curentului de întoarcere.

Teoria reflectării și potrivirii semnalului este apropiată de teoria antenelor.

Când conductorul PCB este rotit cu un unghi de 90°, poate apărea reflexia semnalului. Acest lucru se datorează în principal modificărilor lățimii căii curente. La vârful colțului, lățimea urmei crește de 1.414 ori, ceea ce duce la o nepotrivire a caracteristicilor liniei de transmisie, în special capacitatea distribuită și inductanța proprie a urmei. Destul de des este necesar să rotiți o urmă pe o placă de circuit imprimat cu 90°. Multe pachete CAD moderne vă permit să neteziți colțurile rutelor desenate sau să desenați trasee sub formă de arc. Figura 9 prezintă doi pași pentru îmbunătățirea formei colțului. Numai ultimul exemplu menține o lățime constantă a traseului și minimizează reflexiile.

Sfat pentru designeri de PCB cu experiență: lăsați procesul de netezire pentru ultima etapă de lucru înainte de a crea știfturi în formă de lacrimă și de a umple poligoane. În caz contrar, pachetul CAD va dura mai mult pentru a se netezi din cauza calculelor mai complexe.

Cuplarea capacitivă are loc între conductorii PCB de pe diferite straturi atunci când se intersectează. Uneori, acest lucru poate crea o problemă. Conductorii plasați unul deasupra celuilalt pe straturi adiacente creează un condensator cu peliculă lungă. Capacitatea unui astfel de condensator este calculată folosind formula prezentată în Figura 10.

De exemplu, o placă de circuit imprimat poate avea următorii parametri:
- 4 straturi; straturile poligonului de semnal și de sol sunt adiacente,
- distanța dintre straturi - 0,2 mm,
- latimea conductorului - 0,75 mm,
- lungimea conductorului - 7,5 mm.

Constanta dielectrică tipică ER pentru FR-4 este 4,5.

Înlocuind toate valorile în formulă, obținem o valoare a capacității între aceste două magistrale egală cu 1,1 pF. Chiar și o astfel de capacitate aparent mică este inacceptabilă pentru unele aplicații. Figura 11 ilustrează efectul unei capacități de 1 pF atunci când este conectată la intrarea de inversare a unui amplificator operațional de înaltă frecvență.

Se poate observa că amplitudinea semnalului de ieșire se dublează la frecvențe apropiate de limita superioară a intervalului de frecvență al amplificatorului operațional. Acest lucru, la rândul său, poate duce la oscilații, în special la frecvențele de funcționare a antenei (peste 180 MHz).

Acest efect dă naștere la numeroase probleme, pentru care există, totuși, multe modalități de a le rezolva. Cea mai evidentă dintre ele este reducerea lungimii conductorilor. O altă modalitate este de a le reduce lățimea. Nu există niciun motiv să folosiți un conductor de această lățime pentru a conecta semnalul la intrarea inversoare, deoarece Prin acest conductor trece foarte puțin curent. Reducerea lungimii urmei la 2,5 mm și a lățimii la 0,2 mm va duce la o scădere a capacității la 0,1 pF, iar o astfel de capacitate nu va mai duce la o creștere atât de semnificativă a răspunsului în frecvență. O altă soluție este eliminarea unei părți a poligonului de sub intrarea de inversare și a conductorului care merge la acesta.

Lățimea conductorilor PCB nu poate fi redusă la infinit. Lățimea maximă este determinată atât de procesul tehnologic, cât și de grosimea foliei. Dacă doi conductori trec aproape unul de celălalt, atunci între ele se formează un cuplaj capacitiv și inductiv (Fig. 12).

Conductoarele de semnal nu trebuie dirijate paralel între ele, cu excepția cazului liniilor diferențiale sau microbande. Distanța dintre conductori trebuie să fie de cel puțin trei ori lățimea conductorilor.

Capacitatea dintre urme în circuitele analogice poate crea probleme cu valori mari ale rezistenței (mai mulți megaohmi). Cuplajul capacitiv relativ mare dintre intrările inversoare și neinversoare ale unui amplificator operațional poate provoca cu ușurință circuitul să oscileze.

De exemplu, cu d=0,4 mm și h=1,5 mm (valori destul de comune), inductanța găurii este de 1,1 nH.

Amintiți-vă că, dacă există rezistențe mari în circuit, atunci trebuie acordată o atenție deosebită curățării plăcii. În timpul operațiunilor finale de fabricație a unei plăci de circuit imprimat, orice flux și contaminanți rămase trebuie îndepărtați. Recent, la instalarea plăcilor cu circuite imprimate, se folosesc adesea fluxuri solubile în apă. Fiind mai puțin dăunătoare, se îndepărtează ușor cu apă. Dar, în același timp, spălarea plăcii cu apă insuficient curată poate duce la o contaminare suplimentară care înrăutățește caracteristicile dielectrice. Prin urmare, este foarte important să curățați placa de circuite de înaltă impedanță cu apă proaspătă distilată.

IZOLAREA SEMNALULUI

După cum sa menționat deja, interferențele pot pătrunde în partea analogică a circuitului prin circuitele de alimentare. Pentru a reduce astfel de interferențe, condensatorii de decuplare (blocare) sunt utilizați pentru a reduce impedanța locală a magistralelor de alimentare.

Dacă trebuie să așezați o placă de circuit imprimat care are atât părți analogice, cât și digitale, atunci trebuie să aveți cel puțin o mică înțelegere a caracteristicilor electrice ale elementelor logice.

O etapă tipică de ieșire a unui element logic conține două tranzistoare conectate în serie între ele, precum și între circuitele de putere și de masă (Fig. 14).

Acești tranzistori funcționează în mod ideal strict în antifază, adică. când unul dintre ele este deschis, atunci în același moment de timp al doilea este închis, generând fie unul logic, fie un semnal logic zero la ieșire. În starea logică constantă, consumul de energie al elementului logic este mic.

Situația se schimbă dramatic atunci când treapta de ieșire trece de la o stare logică la alta. În acest caz, pentru o perioadă scurtă de timp, ambele tranzistoare pot fi deschise simultan, iar curentul de alimentare al etapei de ieșire crește foarte mult, deoarece rezistența căii curentului de la magistrala de alimentare la magistrala de masă prin două tranzistoare conectate în serie scade. Consumul de energie crește brusc și apoi scade, ceea ce duce la o modificare locală a tensiunii de alimentare și la apariția unei schimbări bruște, pe termen scurt, a curentului. Aceste modificări ale curentului au ca rezultat emisia de energie de radiofrecvență. Chiar și pe o placă de circuit imprimat relativ simplă pot exista zeci sau sute de etape de ieșire considerate ale elementelor logice, astfel încât efectul total al funcționării lor simultane poate fi foarte mare.

Este imposibil să se prezică cu exactitate intervalul de frecvență în care vor apărea aceste supratensiuni de curent, deoarece frecvența apariției lor depinde de mulți factori, inclusiv de întârzierea de propagare a tranzistoarelor de comutare ale elementului logic. Întârzierea, la rândul său, depinde și de multe motive aleatorii care apar în timpul procesului de producție. Zgomotul de comutare are o distribuție în bandă largă a componentelor armonice pe întreaga gamă. Există mai multe metode de suprimare a zgomotului digital, a căror aplicare depinde de distribuția spectrală a zgomotului.

Tabelul 2 prezintă frecvențele maxime de funcționare pentru tipurile comune de condensatoare.

masa 2

Din tabel este evident că condensatorii electrolitici cu tantal sunt utilizați pentru frecvențe sub 1 MHz la frecvențe mai mari, trebuie folosiți condensatori ceramici. Trebuie amintit că condensatorii au propria lor rezonanță și alegerea lor incorectă nu numai că nu ajută, ci și agravează problema. Figura 15 prezintă autorezonanțe tipice a două condensatoare comune - 10 μF tantal electrolitic și 0,01 μF ceramică.

Specificațiile reale pot varia între diferiți producători și chiar de la lot la lot în cadrul aceluiași producător. Este important de înțeles că pentru ca un condensator să funcționeze eficient, frecvențele pe care le suprimă trebuie să fie într-un interval mai mic decât propria frecvență de rezonanță. În caz contrar, natura reactanței va fi inductivă, iar condensatorul nu va mai funcționa eficient.

Nu vă înșelați că un condensator de 0,1 µF va suprima toate frecvențele. Condensatoarele mici (10 nF sau mai puțin) pot funcționa mai eficient la frecvențe mai mari.

Decuplarea puterii IC

Decuplarea sursei de alimentare a circuitelor integrate pentru a suprima zgomotul de înaltă frecvență constă în utilizarea unuia sau mai multor condensatori conectați între pinii de alimentare și de masă. Este important ca conductorii care conectează conductorii la condensatori să fie scurti. Dacă nu este cazul, atunci auto-inductanța conductorilor va juca un rol semnificativ și va anula beneficiile utilizării condensatoarelor de decuplare.

Un condensator de decuplare trebuie conectat la fiecare pachet de cip, indiferent dacă există 1, 2 sau 4 amplificatori operaționali în interiorul pachetului. Dacă amplificatorul operațional este alimentat dublu, atunci este de la sine înțeles că condensatorii de decuplare ar trebui să fie amplasați la fiecare pin de alimentare. Valoarea capacității trebuie selectată cu atenție în funcție de tipul de zgomot și interferență prezente în circuit.

În cazuri deosebit de dificile, poate fi necesar să adăugați o inductanță conectată în serie cu puterea de ieșire. Inductanța ar trebui să fie situată înainte, nu după, condensatoare.

O altă modalitate, mai ieftină, este să înlocuiți inductanța cu un rezistor cu rezistență scăzută (10...100 Ohmi). În acest caz, împreună cu condensatorul de decuplare, rezistența formează un filtru trece-jos. Această metodă reduce intervalul de alimentare a amplificatorului operațional, care devine și mai dependent de consumul de energie.

De obicei, pentru a suprima zgomotul de joasă frecvență în circuitele de alimentare, este suficient să folosiți unul sau mai mulți condensatori electrolitici din aluminiu sau tantal la conectorul de intrare de alimentare. Un condensator ceramic suplimentar va suprima interferențele de înaltă frecvență de la alte plăci.

IZOLAREA SEMNALELOR DE INTRARE ȘI IEȘIRE

Multe probleme de zgomot rezultă din conectarea directă a pinilor de intrare și de ieșire. Ca urmare a limitărilor de înaltă frecvență ale componentelor pasive, răspunsul unui circuit atunci când este expus la zgomot de înaltă frecvență poate fi destul de imprevizibil.

Într-o situație în care intervalul de frecvență al zgomotului indus este semnificativ diferit de intervalul de frecvență al circuitului, soluția este simplă și evidentă - plasarea unui filtru RC pasiv pentru a suprima interferența de înaltă frecvență. Cu toate acestea, atunci când utilizați un filtru pasiv, trebuie să aveți grijă: caracteristicile acestuia (datorită caracteristicilor de frecvență neideale ale componentelor pasive) își pierd proprietățile la frecvențe de 100...1000 de ori mai mari decât frecvența de tăiere (f 3db). Când utilizați filtre conectate în serie, reglate pe diferite game de frecvență, filtrul de frecvență mai mare ar trebui să fie cel mai aproape de sursa de interferență. Inductorii inel de ferită pot fi, de asemenea, utilizați pentru a suprima zgomotul; ele păstrează caracterul inductiv al rezistenței până la o anumită frecvență, iar peste rezistența lor devine activă.

Interferența pe un circuit analogic poate fi atât de mare încât este posibil să scăpați de ea (sau cel puțin să o reduceți) doar prin utilizarea ecranelor. Pentru a funcționa eficient, acestea trebuie proiectate cu atenție, astfel încât frecvențele care provoacă cele mai multe probleme să nu poată intra în circuit. Aceasta înseamnă că ecranul nu trebuie să aibă găuri sau decupaje mai mari de 1/20 din lungimea de undă a radiației ecranate. Este o idee bună să alocați spațiu suficient pentru scutul propus chiar de la începutul designului PCB. Când utilizați un scut, puteți utiliza opțional inele de ferită (sau margele) pentru toate conexiunile la circuit.

CAZURI DE AMPLIFICATOR OPERATIONAL

Unul, două sau patru amplificatoare operaționale sunt de obicei plasate într-un singur pachet (Fig. 16).

Un singur amplificator operațional are adesea și intrări suplimentare, de exemplu pentru a regla tensiunea de compensare. Amplificatoarele operaționale duale și cvadruple au doar intrări și ieșiri inversoare și neinversoare. Prin urmare, dacă este necesar să aveți ajustări suplimentare, este necesar să folosiți un singur amplificator operațional. Atunci când utilizați ieșiri suplimentare, trebuie să vă amintiți că prin structura lor sunt intrări auxiliare, deci trebuie controlate cu atenție și în conformitate cu recomandările producătorului.

Într-un singur amplificator operațional, ieșirea este situată pe partea opusă a intrărilor. Acest lucru poate face dificilă operarea amplificatorului la frecvențe înalte din cauza liniilor lungi de feedback. O modalitate de a depăși acest lucru este să plasați amplificatorul și componentele de feedback pe diferite părți ale PCB. Acest lucru, totuși, are ca rezultat cel puțin două găuri și tăieturi suplimentare în poligonul solului. Uneori, merită să folosiți un amplificator operațional dual pentru a rezolva această problemă, chiar dacă al doilea amplificator nu este folosit (și pinii săi trebuie conectați corect). Figura 17 ilustrează reducerea lungimii conductorilor circuitului de feedback pentru o conexiune inversabilă.

Amplificatoarele operaționale duble sunt deosebit de comune în amplificatoarele stereo, iar amplificatoarele operaționale cvadruple sunt utilizate în circuitele cu filtre cu mai multe etape. Cu toate acestea, există un dezavantaj destul de semnificativ în acest sens. Chiar dacă tehnologia modernă asigură o izolare decentă între semnalele amplificatorului de pe același cip de siliciu, există totuși o anumită diafonie între ele. Dacă este necesar să existe o cantitate foarte mică de astfel de interferențe, atunci este necesar să folosiți amplificatoare operaționale unice. Diafonia nu are loc numai atunci când se utilizează amplificatoare duale sau cvadruple. Sursa lor poate fi proximitatea foarte apropiată a componentelor pasive ale diferitelor canale.

Op-ampurile duble și cvadruple, pe lângă cele de mai sus, permit o instalare mai densă. Amplificatoarele individuale par a fi o imagine în oglindă unul față de celălalt (Fig. 18).

Figurile 17 și 18 nu arată toate conexiunile necesare pentru funcționarea normală, cum ar fi driverul de nivel mediu pe o singură sursă. Figura 19 prezintă o diagramă a unui astfel de modelator atunci când se utilizează un amplificator quad.

Diagrama prezintă toate conexiunile necesare pentru implementarea a trei etape de inversare independente. Este necesar să se acorde atenție faptului că conductoarele driverului de semialimentare sunt amplasate direct sub carcasa circuitului integrat, ceea ce face posibilă reducerea lungimii lor. Acest exemplu ilustrează nu ce ar trebui să fie, ci ce ar trebui făcut. Tensiunea de nivel mediu, de exemplu, ar putea fi aceeași pentru toate cele patru amplificatoare. Componentele pasive pot fi dimensionate corespunzător. De exemplu, componentele plane de dimensiunea cadrului 0402 se potrivesc cu distanța dintre pini a unui pachet SO standard. Acest lucru permite menținerea lungimii conductorilor foarte scurte pentru aplicații de înaltă frecvență.

MONTARE 3D SI SUPRAFATA

Când amplasați amplificatoare operaționale în pachete DIP și componente pasive cu fire de plumb, pe placa de circuit imprimat trebuie să fie furnizate canale pentru a le monta. Astfel de componente sunt utilizate în prezent atunci când nu există cerințe speciale pentru dimensiunile plăcii de circuit imprimat; Ele sunt de obicei mai ieftine, dar costul plăcii de circuit imprimat crește în timpul procesului de fabricație datorită găurii suplimentare pentru cablurile componente.

În plus, la utilizarea componentelor externe, dimensiunile plăcii și lungimea conductorilor cresc, ceea ce nu permite circuitului să funcționeze la frecvențe înalte. Vias au propria lor inductanță, care limitează și caracteristicile dinamice ale circuitului. Prin urmare, componentele aeriene nu sunt recomandate pentru implementarea circuitelor de înaltă frecvență sau pentru circuitele analogice situate în apropierea circuitelor logice de mare viteză.

Unii designeri, încercând să reducă lungimea conductorilor, plasează rezistențele pe verticală. La prima vedere poate părea că acest lucru scurtează lungimea traseului. Cu toate acestea, acest lucru crește calea curentului prin rezistor, iar rezistorul în sine reprezintă o buclă (turnarea inductanței). Capacitatea de emitere și recepție crește de multe ori.

Montarea la suprafață nu necesită un orificiu pentru fiecare cablu component. Cu toate acestea, apar probleme la testarea circuitului și este necesar să se utilizeze vias ca puncte de testare, mai ales când se folosesc componente mici.

SECȚIUNI OP-AMP NEUTILIZATE

Când utilizați amplificatoare operaționale duale și cvadruple într-un circuit, unele secțiuni pot rămâne neutilizate și trebuie conectate corect în acest caz. Conexiunile incorecte pot duce la un consum crescut de energie, mai multă căldură și mai mult zgomot de la amplificatoarele operaționale utilizate în același pachet. Pinii amplificatoarelor operaționale neutilizate pot fi conectați așa cum se arată în Fig. 20a. Conectarea pinilor cu componente suplimentare (Fig. 20b) va ușura utilizarea acestui amplificator operațional în timpul configurării.

CONCLUZIE

Rețineți următoarele puncte de bază și păstrați-le în minte în orice moment atunci când proiectați și conectați circuite analogice.

Sunt comune:

• gândiți-vă la o placă de circuit imprimat ca la o componentă a unui circuit electric;
• au conștientizarea și înțelegerea surselor de zgomot și interferențe;
• modele și circuite de așezare.

Placă de circuit imprimat:

• utilizați plăci de circuite imprimate numai din materiale de înaltă calitate (de exemplu, FR-4);
• circuitele realizate pe plăci cu circuite imprimate multistrat sunt cu 20 dB mai puțin susceptibile la interferențe externe decât circuitele realizate pe plăci cu două straturi;
• folosiți poligoane separate, care nu se suprapun pentru diferite terenuri și furaje;
• Așezați poligoanele de pământ și de putere pe straturile interioare ale PCB-ului.

Componente:

• Fiți conștienți de limitările de frecvență introduse de componentele pasive și urmele plăcii;
• încercați să evitați amplasarea verticală a componentelor pasive în circuitele de mare viteză;
• Pentru circuitele de înaltă frecvență, utilizați componente proiectate pentru montare la suprafață;
• conductoarele ar trebui să fie mai scurte, cu atât mai bine;
• dacă este necesară o lungime mai mare a conductorului, atunci reduceți lățimea acestuia;
• Cablurile neutilizate ale componentelor active trebuie conectate corect.

Cablaj:

• plasați circuitul analogic lângă conectorul de alimentare;
• nu direcționați niciodată conductorii care transmit semnale logice prin zona analogică a plăcii și invers;
• faceți conductoarele potrivite pentru intrarea inversă a amplificatorului operațional;
• asigurați-vă că conductorii intrărilor inversoare și neinversoare ale amplificatorului operațional nu sunt amplasați paralel unul cu celălalt pe o distanță lungă;
• încercați să evitați să folosiți vias suplimentare, pentru că... propria lor inductanță poate cauza probleme suplimentare;
• nu dirijați conductorii în unghi drept și neteziți vârfurile colțurilor dacă este posibil.

Schimb:

• utilizați tipurile corecte de condensatoare pentru a suprima zgomotul în circuitele de alimentare;
• pentru a suprima interferența și zgomotul de joasă frecvență, utilizați condensatori de tantal la conectorul de intrare de alimentare;
• Pentru a suprima interferența și zgomotul de înaltă frecvență, utilizați condensatori ceramici la conectorul de intrare de alimentare;
• utilizați condensatori ceramici la fiecare pin de alimentare al microcircuitului; dacă este necesar, utilizați mai mulți condensatori pentru diferite game de frecvență;
• dacă în circuit are loc excitația, atunci este necesar să folosiți condensatori cu o valoare mai mică a capacității și nu una mai mare;
• în cazuri dificile, utilizați rezistențe conectate în serie de rezistență scăzută sau inductanță în circuitele de putere;
• Condensatorii analogici de decuplare a puterii ar trebui să fie conectați numai la masă analogică, nu la masă digitală.

În această secțiune, ne uităm la modul de a evita distorsiunea semnalului digital asociată cu transmiterea acestuia de-a lungul unui conductor de pe o placă de circuit imprimat. Deși aceasta este în primul rând o sarcină pentru inginerul de circuite, proiectantul PCB este adesea vinovat pentru problemele cu transmisia semnalului pe placă, precum și pentru diafonia și diafonia care apar pe placă.

De ce semnalul este distorsionat în timpul transmisiei?
În primul rând, distorsiunea este caracteristică semnalelor de înaltă frecvență, cu o frecvență de 1 GHz sau mai mult. Acest lucru se datorează efectelor rezonanțelor și reflexiilor asupra segmentelor individuale de fir, a canalelor, a ieșirilor de ventilație de pe placă și la intrările receptorului. Cu toate acestea, problema este că semnalele cu o frecvență de până la 500 MHz, tipice pentru circuitele digitale standard, așa cum vom vedea mai târziu, pot fi adesea distorsionate semnificativ, ceea ce înseamnă că pot fi clasificate și ca de înaltă frecvență.

Care este ideea de transmitere fără distorsiuni?
Principiul transmisiei semnalului fără distorsiuni este că conductorul este realizat ca o linie de transmisie (sau „linie lungă”) cu o anumită impedanță caracteristică (undă), adică. impedanta Z 0 , aceeasi pe toata lungimea de la sursa la receptorul de semnal, care asigura omogenitatea liniei. A doua cerință este consistența liniei cu sursa și receptorul semnalului. Spre deosebire de un conductor convențional, o astfel de linie de transmisie nu duce la rezonanță, distorsiune și reflexie în timpul transmisiei semnalului, indiferent de cât de lungă este. Liniile de transmisie pot fi implementate cu ușurință pe o placă de circuit imprimat prin utilizarea materialelor cu parametri cunoscuți și asigurând dimensiunile necesare ale elementelor de model imprimat. Există potriviri de linie serială și paralelă și este necesar să folosiți anumite rezistențe de potrivire la ieșirea sursei și/sau intrarea receptorului de semnal. Liniile de transmisie formate pe placă pot fi, desigur, extinse în afara plăcii folosind conectori și cabluri cu impedanță caracteristică controlată Z 0 .

Pentru ce semnale devine semnificativă distorsiunea?
Prin compararea lungimii conductorului de pe placă cu lungimea de undă a celei mai mari componente de frecvență a semnalului transmis (când se propagă, de exemplu, în material FR4), se poate determina așa-numita lungime electrică a conductorului. Lungimea electrică poate fi exprimată în fracții din lungimea de undă minimă sau în fracții din valoarea sa inversă - durata frontului. Dacă conductorul are o lungime electrică prea mare, atunci pentru a preveni distorsiunea excesivă a semnalului, acest conductor trebuie configurat ca o linie de transmisie. Rețineți că atunci când transmiteți semnale de înaltă frecvență, liniile de transmisie ar trebui utilizate nu numai pentru a reduce distorsiunea, ci și pentru a reduce nivelul radiației electromagnetice (EMR).

Regula „jumătate din durata frontului”
O regulă aproximativă este că conductorul este „lung electric” (ceea ce se numește în inginerie electrică "linie lunga"), dacă timpul necesar pentru ca frontul de semnal să treacă de la sursă la cel mai îndepărtat receptor depășește jumătate din timpul de semnal al frontului. În acest caz, reflexiile în linie pot distorsiona semnificativ frontul semnalului. Să presupunem că dispozitivul conține cipuri cu un timp de creștere de 2 ns (de exemplu, conform documentației pentru seria FastTTL). Constanta dielectrică a materialului PCB (FR4) la frecvențe înalte este aproape de 4,0, ceea ce dă o viteză frontală de aproximativ 50% din viteza luminii sau 1,5,10 8 m/s. Aceasta corespunde unui timp de propagare frontal de 6,7 ps/mm. Cu această viteză, frontul se va deplasa cu aproximativ 300 mm în 2 ns. Din aceasta putem concluziona că pentru astfel de semnale „liniile de transmisie” ar trebui folosite numai dacă lungimea conductorului depășește jumătate din această distanță - adică 150 mm.

Din păcate, acesta este răspunsul greșit. Regula „timp de creștere la jumătate” este prea simplistă și poate duce la probleme dacă deficiențele sale nu sunt luate în considerare.

Probleme cu abordarea simplificată
Datele despre timpul de creștere furnizate în documentația pentru microcircuite reflectă valoarea maximă și, adesea, timpul real de comutare este semnificativ mai mic (să zicem, poate fi de 3-4 ori mai mic decât „maximul” și este greu posibil să garantează că nu va varia de la un lot la altul de chips-uri). Mai mult, componenta capacitivă inevitabilă a sarcinii (de la intrările IC conectate la linie) reduce viteza de propagare a semnalului în comparație cu viteza de proiectare realizabilă pe o placă de circuite goale. Prin urmare, pentru a obține o integritate adecvată a semnalului transmis, liniile de transmisie ar trebui utilizate cu conductori mult mai scurti decât sugerează regula descrisă anterior. Se poate arăta că pentru semnalele cu un timp de creștere (conform documentației) de 2 ns, este indicat să se folosească linii de transmisie pentru conductoarele a căror lungime depășește doar 30 mm (și uneori mai puțin)! Acest lucru se aplică în special semnalelor care poartă o funcție de sincronizare sau de gate. Tocmai aceste semnale sunt caracterizate de probleme asociate cu „pozitive false”, „recalculare”, „înregistrarea datelor incorecte” și altele.

Cum se proiectează linii de transmisie?
Există multe publicații dedicate ce tipuri de linii de transmisie pot exista, cum să le proiectați pe o placă de circuit imprimat și cum să le verificați parametrii. În special, standardul IEC 1188-1-2: 1988 oferă îndrumări detaliate în acest sens. Există, de asemenea, multe produse software disponibile care vă permit să selectați designul liniei de transmisie și structura PCB. Majoritatea sistemelor moderne de proiectare PCB vin cu programe încorporate care permit proiectantului să proiecteze linii de transmisie cu parametri specificați. Exemplele includ programe precum AppCAD, CITS25, TXLine. Cele mai complete capabilități sunt furnizate de produsele software de la Polar Instruments.

Exemple de linii de transmisie
Ca exemple, luați în considerare cele mai simple tipuri de linii de transmisie.

Cum să proiectați linia de transmisie în cel mai bun mod?
Semnalele cu cea mai mare viteză (sau cele mai critice) ar trebui să fie în straturi adiacente planului de masă (GND), de preferință unul care este asociat cu planul de putere de decuplare. Semnale mai puțin critice pot fi aplicate planurilor de alimentare dacă planurile sunt decuplate în mod adecvat și nu sunt foarte zgomotoase. Fiecare astfel de plan de alimentare trebuie să fie asociat cu microcircuitul de la care sau către care este primit acest semnal. Cea mai bună imunitate la zgomot și EMC sunt asigurate de liniile de bandă trasate între două planuri GND, fiecare dintre acestea fiind asociat cu propriul plan de alimentare pentru decuplare.
Linia de transmisie nu trebuie să aibă găuri, rupturi sau rupturi în niciunul dintre planurile de referință la care este trasată, deoarece acest lucru va duce la modificări semnificative în Z 0 . Mai mult, linia benzii trebuie să fie cât mai departe posibil de orice discontinuitate din plan sau de marginea planului de susținere, iar această distanță nu trebuie să fie mai mică de zece ori lățimea conductorului. Liniile de transmisie adiacente trebuie să fie separate de cel puțin trei lățimi ale conductorului pentru a elimina diafonia. Semnalele foarte critice sau „agresive” (cum ar fi comunicarea cu o antenă radio) pot beneficia de EMC prin utilizarea unei linii simetrice cu două rânduri de interfețe strâns distanțate, ca și cum ar fi blocat-o de alți conductori și creând o structură coaxială în placa de circuit imprimat . Cu toate acestea, pentru astfel de structuri, Z 0 este calculat folosind formule diferite.

Cum poți reduce costul unui proiect?
Tipurile de linii de transmisie descrise mai sus necesită aproape întotdeauna utilizarea unei plăci multistrat și, prin urmare, este posibil să nu fie aplicabile pentru crearea de produse în masă din categoria de preț mai mică (deși la volume mari, plăcile de circuite imprimate cu 4 straturi sunt doar 20-). cu 30% mai scumpe decât cele cu două fețe). Cu toate acestea, pentru proiectele cu costuri reduse, se folosesc și tipuri de linii precum echilibrat (uniform) sau coplanar, care pot fi construite pe o placă cu un singur strat. Trebuie avut în vedere faptul că tipurile de linii de transmisie cu un singur strat ocupă de câteva ori mai multă zonă pe placă decât liniile microstrip și stripline. În plus, în timp ce economisiți costul plăcii de circuit imprimat, veți fi forțat să plătiți mai mult pentru ecranarea suplimentară a dispozitivului și filtrarea zgomotului. O regulă generală este că rezolvarea problemelor EMC la nivel de ambalare costă de 10-100 de ori mai mult decât rezolvarea aceleiași probleme la nivel de PCB.
Prin urmare, atunci când reduceți bugetul de proiectare prin reducerea numărului de straturi de PCB, fiți pregătit să petreceți timp și bani suplimentari comandând mai multe iterații ale plăcilor de probă pentru a asigura nivelul necesar de integritate a semnalului și EMC.

Cum să reduceți efectul negativ al schimbării straturilor?
Conform regulilor standard de cablare, există cel puțin un condensator de decuplare lângă fiecare cip, astfel încât să putem schimba stratul de lângă cip. Cu toate acestea, trebuie luată în considerare lungimea totală a segmentelor care nu sunt situate în stratul „fâșie”. O regulă aproximativă este că lungimea electrică totală a acestor segmente nu trebuie să depășească o opteme din timpul de creștere. Dacă poate apărea o modificare prea mare a Z 0 pe oricare dintre aceste segmente (de exemplu, când utilizați prize ZIF sau alte tipuri de prize pentru microcircuite), este mai bine să vă străduiți să minimizați această lungime la o zecime din timpul de creștere. Utilizați această regulă pentru a determina lungimea totală maximă admisă a segmentelor nestandardizate și încercați să o minimizați în aceste limite cât mai mult posibil.
Pe baza acestui lucru, pentru semnalele cu un timp de creștere (conform documentației) de 2 ns, trebuie să schimbăm stratul la cel mult 10 mm de centrul microcircuitului sau de centrul rezistenței de potrivire. Această regulă a fost elaborată ținând cont de o marjă de 4 ori pentru faptul că timpul real de comutare poate fi semnificativ mai mic decât cel maxim conform documentației. La aproximativ aceeași distanță (nu mai mult) de locul în care sunt schimbate straturile, ar trebui să existe cel puțin un condensator de decuplare care conectează planurile de masă și de alimentare corespunzătoare. Distanțe atât de mici sunt dificil de atins atunci când se folosesc cipuri mari, așa că amenajarea circuitelor moderne de mare viteză necesită compromisuri. Cu toate acestea, această regulă justifică faptul că microcircuitele de dimensiuni mici sunt de preferat în circuitele de mare viteză și explică faptul că dezvoltarea rapidă a tehnologiilor BGA și flip-chip, care minimizează calea semnalului de la conductorul de pe placă la cip. a microcircuitului.

Simularea și testarea prototipurilor
Deoarece există atât de multe opțiuni IC și chiar mai multe aplicații, unii ingineri pot considera că aceste reguli generale sunt mai puțin precise, iar unii le pot considera exagerate, dar acesta este rolul „regulilor generale” - sunt doar o aproximare aproximativă. pentru a vă ajuta să proiectați corect dispozitivele de lucru.
În zilele noastre, instrumentele de modelare pe computer devin din ce în ce mai accesibile și mai avansate. Acestea vă permit să calculați parametrii de integritate a semnalului, EMC, în funcție de structura reală a stratului și de rutarea semnalului. Desigur, utilizarea lor va da rezultate mai precise decât aproximările noastre brute, așa că vă recomandăm să folosiți pe cât posibil simulări pe computer. Cu toate acestea, nu uitați că timpul real de comutare al microcircuitelor poate fi semnificativ mai scurt decât cel indicat în documentație, iar acest lucru poate duce la rezultate incorecte, așa că asigurați-vă că modelul etapelor de ieșire și de intrare corespunde realității.
Următorul pas este verificarea trecerii semnalului critic pe primul eșantion „prototip” al plăcii de circuit imprimat, folosind un osciloscop de înaltă frecvență. Trebuie să vă asigurați că forma de undă nu este distorsionată pe măsură ce se deplasează pe toată lungimea plăcii de circuit, iar doar respectarea regulilor de mai sus este puțin probabil să dea un rezultat excelent prima dată, deși poate fi destul de bun. Utilizarea unui analizor de câmp electromagnetic RF sau a unui analizor de spectru de emisie poate fi o altă modalitate de a examina integritatea semnalului și problemele EMC la nivel de PCB „prototip”. Metodele pentru o astfel de analiză nu fac obiectul acestui articol.
Chiar dacă utilizați simularea circuitelor complexe, nu neglijați integritatea semnalului și testarea EMC pe primele dvs. prototipuri de PCB.

Furnizarea impedanțelor de undă în etapa de fabricație a PCB-ului
Un material FR4 tipic destinat fabricării plăcilor cu circuite imprimate are o valoare a constantei dielectrice (E r) de aproximativ 3,8...4,2 la 1 GHz. Valorile reale E r pot varia cu ±25%. Există materiale FR4 care au o valoare E r care este evaluată și garantată de furnizor și nu sunt mult mai scumpe decât materialele convenționale, dar producătorii de PCB nu sunt obligați să folosească clase FR4 „evaluate” decât dacă sunt specificate în mod specific în comanda PCB.
Producătorii de PCB lucrează cu grosimi dielectrice standard („preimpregnate” și „laminate”), iar grosimea acestora în fiecare strat trebuie determinată înainte ca placa să fie pusă în producție, ținând cont de toleranțele de grosime (aproximativ ± 10%). Pentru a asigura un anumit Z 0, pentru o anumită grosime dielectrică, puteți selecta lățimea conductorului corespunzătoare. Pentru unii producători este necesar să se indice lățimea efectivă necesară a conductorului, pentru alții - cu o marjă pentru subtăieri, care poate ajunge la 25-50 de microni față de lățimea nominală. Cea mai bună opțiune este de a indica producătorului ce lățime a conductorului în care straturi este proiectată pentru a asigura Z 0 specificat. În acest caz, producătorul poate ajusta lățimea conductorului și structura stratului pentru a asigura parametrii specificați în conformitate cu tehnologia sa de producție. În plus, producătorul măsoară impedanța reală a undei pe fiecare semifabricat din fabrică și respinge plăcile pe care Z 0 nu se încadrează în toleranța de ±10% sau mai precis.
Pentru semnale de peste 1 GHz, poate fi necesar să se utilizeze materiale cu frecvență mai mare, cu o stabilitate mai bună și alte proprietăți dielectrice (cum ar fi Duroid de la Rogers etc.).

Literatură
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Plăci imprimate și ansambluri de plăci imprimate - Proiectare și utilizare. Partea 1-2: Cerințe generice - Impedanță controlată, www.iec.ch.
3. Proiectarea plăcilor de circuite imprimate multistrat de mare complexitate. Seminar Tehnologia PCB, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Design hardware. Walt Kester.